Британская ядерная программа: Комитет МОД (1940–1941)

Введение

Британская исследовательская группа по ядерному оружию, 1940–1941

Комитет MAUD был британской научной рабочей группой, сформированной во время Второй мировой войны. Он был создан для проведения исследований, необходимых для определения возможности создания атомной бомбы. Название MAUD произошло от странной фразы в телеграмме датского физика Нильса Бора, относящейся к его домработнице Мод Рэй. Комитет MAUD был основан в ответ на меморандум Фриша — Пейерлса, написанный в марте 1940 года Рудольфом Пейерлсом и Отто Фришем, двумя физиками, бежавшими из нацистской Германии и работавшими в Бирмингемском университете под руководством Марка Олифанта. В меморандуме утверждалось, что небольшая сфера чистого урана-235 может обладать взрывной мощностью в тысячи тонн тротила. Председателем комитета MAUD был Джордж Томсон. Исследования были распределены между четырьмя университетами: Бирмингемским, Ливерпульским, Кембриджским и Оксфордским, каждый из которых имел своего директора программы. Изучались различные способы обогащения урана, а также конструкция ядерного реактора, свойства урана-235, использование тогдашнего гипотетического элемента плутония и теоретические аспекты разработки ядерного оружия. После пятнадцати месяцев работы исследования завершились двумя докладами: «Использование урана для бомбы» и «Использование урана в качестве источника энергии», совместно известные как Доклад MAUD. В докладе обсуждалась целесообразность и необходимость атомной бомбы для военных действий. В ответ британцы создали проект по разработке ядерного оружия под кодовым названием Tube Alloys. Доклад MAUD был предоставлен Соединенным Штатам, где он стимулировал американские усилия, которые в конечном итоге привели к созданию Манхэттенского проекта. Доклад также был передан Советскому Союзу его атомными шпионами и способствовал началу советского проекта по созданию атомной бомбы.

Открытие ядерного деления

Нейтрон был открыт Джеймсом Чедвиком в лаборатории Кавендиша Кембриджского университета в феврале 1932 года. Два месяца спустя его коллеги из Кавендиша Джон Коккрофт и Эрнест Уолтон расщепили атомы лития ускоренными протонами. В декабре 1938 года Отто Хан и Фриц Страссман в лаборатории Хана в Берлине-Далеме облучали уран медленными нейтронами и обнаружили, что образовался барий. Хан написал своему коллеге Лизе Майтнер, которая вместе со своим племянником Отто Фришем доказала, что ядро урана подверглось делению. Они опубликовали свои результаты в журнале Nature в 1939 году. Это явление представляло собой новый тип ядерного распада и было более мощным, чем все, наблюдавшиеся ранее. Фриш и Майтнер вычислили, что энергия, высвобождаемая при каждом делении, была приблизительно… По аналогии с делением биологических клеток, они назвали этот процесс «делением». Нильс Бор и Джон А. Уилер применили модель жидкой капли, разработанную Бором и Фрицем Калькаром, для объяснения механизма ядерного деления. Бора осенило, что деление при низких энергиях в основном вызывается изотопом урана-235, а при высоких энергиях – преимущественно более распространенным изотопом урана-238. Первый составляет всего 0,7% природного урана, а второй – 99,3%. Фредерик Жолио-Кюри и его парижские коллеги Ханс фон Хальбан и Лев Коварский в статье, опубликованной в Nature в апреле 1939 года, предположили возможность возникновения ядерной цепной реакции. Для многих ученых было очевидно, что, по крайней мере теоретически, можно создать чрезвычайно мощное взрывчатое вещество, хотя большинство по-прежнему считали создание атомной бомбы невозможным. Этот термин был уже знаком британской публике по произведениям Г.Дж. Уэллса, в частности, по его роману 1913 года «Мир, освобожденный».

Британская реакция

В Британии ряд ученых рассматривал вопрос о практической возможности создания атомной бомбы. В Ливерпульском университете Чедвик и польский ученый-беженец Джозеф Ротблатт изучали эту проблему, но их расчеты не дали однозначного ответа. В Кембридже лауреаты Нобелевской премии по физике Джордж Пейджет Томсон и Уильям Лоуренс Брэгг настаивали на том, чтобы правительство немедленно предприняло шаги по приобретению урановой руды. Основным источником руды был Бельгийский Конго, и они опасались, что она может попасть в руки немцев. Не зная, как действовать, они обратились к сэру Уильяму Спенсу, мастеру Корпус-Кристи-колледжа в Кембридже. В апреле 1939 года он связался с сэром Кеннетом Пикторном, местным членом парламента, который довел их обеспокоенность до сведения секретаря Комитета по имперской обороне, генерал-майора Гастингса Исмая. Исмай, в свою очередь, запросил мнение сэра Генри Тизарда. Как и многие ученые, Тизард скептически оценивал вероятность создания атомной бомбы, полагая, что шансы на успех составляют один к ста тысячам. Однако даже при таких низких шансах опасность считалась достаточно серьезной, чтобы ее нельзя было игнорировать. Лорд Чартфилд, министр по координации обороны, запросил информацию в Министерстве финансов и Министерстве иностранных дел и выяснил, что урановые рудники Бельгийского Конго принадлежат компании Union Minière du Haut Katanga. Ее британский вице-президент, лорд Стоунхейвен, организовал встречу с бельгийским президентом компании, Эдгаром Сенжие. Поскольку руководство Union Minière лояльно относилось к Великобритании, не считалось необходимым немедленно приобретать уран, но Комитету Тизарда по научному обзору воздушной войны (CSSAW) было поручено продолжить исследования в области возможности создания атомных бомб. Томсон из Имперского колледжа Лондона и Марк Олифант, австралийский физик из Бирмингемского университета, получили задание провести серию экспериментов с ураном. К февралю 1940 года команде Томсона не удалось вызвать цепную реакцию в природном уране, и он пришел к выводу, что дальнейшие исследования нецелесообразны.

In Britain, a number of scientists considered whether an atomic bomb was practical. At the University of Liverpool, Chadwick and the Polish refugee scientist Joseph Rotblat tackled the problem, but their calculations were inconclusive. At Cambridge, Nobel Prize in Physics laureates George Paget Thomson and William Lawrence Bragg wanted the government to take urgent action to acquire uranium ore. The main source of this was the Belgian Congo, and they were worried that it could fall into German hands. Unsure as to how to go about this, they spoke to Sir William Spens, the master of Corpus Christi College, Cambridge. In April 1939, he approached Sir Kenneth Pickthorn, the local Member of Parliament, who took their concerns to the Secretary of the Committee for Imperial Defence, Major General Hastings Ismay. Ismay in turn asked Sir Henry Tizard for an opinion. Like many scientists, Tizard was sceptical of the likelihood of an atomic bomb being developed, reckoning the odds of success at 100,000 to 1. Even at such long odds, the danger was sufficiently great to be taken seriously. Lord Chartfield, the
Minister for Coordination of Defence, checked with the Treasury and Foreign Office, and found that the Belgian Congo uranium was owned by the Union Minière du Haut Katanga company. Its British vice president, Lord Stonehaven, arranged a meeting with the Belgian president of the company, Edgar Sengier. Since Union Minière management were friendly towards Britain, it was not considered necessary to immediately acquire the uranium, but Tizard's Committee for the Scientific Survey of Air Warfare (CSSAW) was directed to continue the research into the feasibility of atomic bombs. Thomson, at Imperial College London, and Mark Oliphant, an Australian physicist at the University of Birmingham, were each tasked with carrying out a series of experiments on uranium. By February 1940, Thomson's team had failed to create a chain reaction in natural uranium, and he had decided that it was not worth pursuing.

Фриш-Пейерл

В Бирмингеме команда Олифанта пришла к иному выводу. Олифант поручил эту задачу Фришу и Рудольфу Пейерлсу, двум немецким ученым-беженцам, которые не могли работать над проектом радиолокации Олифанта из-за статуса вражеских подданных и, следовательно, отсутствия необходимого допуска к секретным сведениям. Фрэнсис Перрен определил критическую массу урана как минимальное количество вещества, способное поддерживать цепную реакцию, и оценил ее примерно в Он полагал, что размещение вокруг него нейтронного отражателя может снизить это значение до В теоретической работе, опубликованной в 1939 году, Пейерлс попытался упростить задачу, используя быстрые нейтроны, образующиеся при делении, и таким образом, не учитывая нейтронный замедлитель. Он также считал, что критическая масса сферы из урана составляет «порядка тонн». Однако Бор утверждал, что изотоп урана-235 гораздо вероятнее захватывает нейтроны и делится даже под воздействием нейтронов с низкой энергией, образующихся при делении. Фриш начал экспериментировать с обогащением урана методом тепловой диффузии. Прогресс был медленным: необходимое оборудование отсутствовало, а приоритет в использовании имеющихся ресурсов отдавался проекту радиолокации. Он размышлял о том, что произойдет, если ему удастся создать сферу из чистого урана-235. Применив формулу Пейерлса для расчета критической массы, он получил поразительный результат: потребуется менее килограмма. В марте 1940 года Фриш и Пейерлс подготовили меморандум Фриш — Пейерлс. В нем они сообщили, что пятикилограммовая бомба будет эквивалентна нескольким тысячам тонн динамита, а даже однокилограммовая бомба окажет значительное воздействие. Они опасались, что из-за потенциального радиоактивного загрязнения британцы могут посчитать ее применение морально неприемлемым. В марте 1940 года Олифант передал меморандум Фриш — Пейерлс Тизарду. Тот передал его Томсону, который обсудил его с Коккрофтом и Олифантом. Они также получили информацию от Жака Альерa из французской Deuxième Bureau, который участвовал в вывозе всего запаса тяжелой воды из Норвегии. Он рассказал им об интересе, который проявляли немцы к тяжелой воде, и к работе французских исследователей в Париже. Были предприняты немедленные меры: Министерство экономической войны было попрошено обеспечить сохранность запасов оксида урана, находившихся под угрозой захвата немцами; британские спецслужбы получили задание расследовать деятельность немецких ученых-ядерщиков; а А. В. Хиллу, британскому научному атташе в Вашингтоне, было поручено выяснить, чем занимаются американцы. Хилл доложил, что американцы привлекли ученых к изучению этого вопроса, но не считали возможным найти какие-либо военные применения.

At Birmingham, Oliphant's team had reached a different conclusion. Oliphant had delegated the task to Frisch and Rudolf Peierls, two German refugee scientists who could not work on Oliphant's radar project because they were enemy aliens, and therefore lacked the requisite security clearance. Francis Perrin had defined a critical mass of uranium to be the smallest amount that could sustain a chain reaction, and had calculated it to be about He reckoned that if a neutron reflector were placed around it, this might be reduced to In a theoretical paper written in 1939, Peierls attempted to simplify the problem by using the fast neutrons produced by fission, thus omitting consideration of a neutron moderator. He too believed the critical mass of a sphere of uranium to be "of the order of tons". However, Bohr had contended that the uranium 235 isotope was far more likely to capture neutrons and fission even from neutrons with the low energies produced by fission. Frisch began experimenting with uranium enrichment through thermal diffusion. Progress was slow; the required equipment was not available, and the radar project had first call on the available resources. He wondered what would happen if he was able to produce a sphere of pure uranium 235. When he used Peierls' formula to calculate its critical mass, he received a startling answer: less than a kilogram would be required. Frisch and Peierls produced the Frisch–Peierls memorandum in March 1940. In it they reported that a five kilogram bomb would be the equivalent to several thousand tons of dynamite, and even a one kilogram bomb would be impressive. Because of the potential radioactive fallout, they thought that the British might find it morally unacceptable. Oliphant took the Frisch–Peierls memorandum to Tizard in March 1940. He passed it on to Thomson, who discussed it with Cockcroft and Oliphant. They also heard from Jacques Allier of the French Deuxième Bureau, who had been involved in the removal of the entire stock of heavy water from Norway. He told them of the interest the Germans had shown in the heavy water, and in the activity of the French researchers in Paris. Immediate action was taken: the Ministry of Economic Warfare was asked to secure stocks of uranium oxide in danger of being captured by the Germans; British intelligence agencies were asked to investigate the activities of German nuclear scientists; and A. V. Hill, the British Scientific Attaché in Washington, was asked to find out what the Americans were up to. Hill reported that the Americans had scientists investigating the matter, but they did not think that any military applications would be found.

Активность

Исследования Комитета MAUD были распределены между четырьмя английскими университетами: Бирмингемским университетом, Ливерпульским университетом, Кембриджским университетом и Оксфордским университетом. Первоначально исследования финансировались из средств самих университетов. Государственное финансирование стало доступно только в сентябре 1940 года. MAP (Министерство поставок) заключило контракты, предоставив 3000 фунтов стерлингов лаборатории Кавендиша в Кембридже (позже увеличено до 6500 фунтов стерлингов), 1000 фунтов стерлингов (позже увеличено до 2000 фунтов стерлингов) лаборатории Кларендон в Оксфорде, 1500 фунтов стерлингов Бирмингемскому университету и 2000 фунтов стерлингов Ливерпульскому университету. MAP возмещал университетам понесенные расходы и начал выплачивать часть заработной платы университетским сотрудникам. Однако Чедвику, Пейерлсу, Саймону и другим профессорам, а также некоторым научным сотрудникам, по-прежнему выплачивали зарплату из университетских фондов. Правительство также разместило заказ на 5000 фунтов стерлингов на гексафторид урана у компании ICI. Оксид урана закупался у компании Brandhurt, которая поставляла его из Америки. Военное время привело к дефициту во многих областях исследований, что вынудило MAP обращаться к фирмам с просьбой о приоритетном обеспечении необходимыми ученым материалами. Наблюдалась также нехватка кадров, поскольку химики и физики были перенаправлены на военную работу. В университетах было занято много иностранцев или бывших иностранцев. MAP первоначально выступал против их найма по соображениям безопасности, особенно учитывая, что большинство из них происходили из вражеских или оккупированных стран. Их трудоустройство стало возможным лишь потому, что они были наняты университетами, а не MAP, которой было запрещено нанимать иностранцев вражеского происхождения. MAP постепенно согласился с их работой над проектом. Он защитил некоторых от интернирования и обеспечил допуск к секретным сведениям. Существовали ограничения на место работы и проживания иностранцев вражеского происхождения, им также не разрешалось владеть автомобилями, поэтому требовались специальные разрешения для посещения других университетов. "И вот, – писала историк Маргарет Гоуинг, – величайшая из всех военных тайн была доверена ученым, исключенным по соображениям безопасности из других военных работ".

The MAUD Committee's research was split among four different English universities: the University of Birmingham, the University of Liverpool, the University of Cambridge and the University of Oxford. At first the research was paid for out of the universities' funds. Only in September 1940 did government funding become available. The MAP signed contracts that gave £3,000 to the Cavendish Laboratory at Cambridge (later increased to £6,500), £1,000 (later increased to £2,000) to the Clarendon Laboratory at Oxford, £1,500 to Birmingham, and £2,000 to Liverpool. The universities were reimbursed for expenses by the MAP, which also began to pay some of the salaries of the universities' staff. However, Chadwick, Peierls, Simon and other professors, along with some research staff, were still paid out of university funds. The government also placed a £5,000 order for of uranium hexafluoride with ICI. Uranium oxide was purchased from the Brandhurt Company, which sourced it from America. Wartime shortages impacted many areas of research, requiring the MAP to write to firms requesting priority for items required by the scientists. There were also shortages of manpower, as chemists and physicists had been diverted to war work. Of necessity, the universities employed many aliens or ex aliens. The MAP was initially opposed to their employment on security grounds, especially as most were from enemy or occupied countries. Their employment was only made possible because they were employed by the universities and not the MAP, which was not allowed to employ enemy aliens. The MAP gradually came around to accepting their employment on the project. It protected some from internment, and provided security clearances. There were restrictions on where enemy aliens could work and live, and they were not allowed to own cars, so dispensations were required to allow them to visit other universities. "And so," wrote historian Margaret Gowing, "the greatest of all the wartime secrets was entrusted to scientists excluded for security reasons from other war work."

Университет Ливерпуля

Отделение Комитета MAUD в Ливерпуле возглавлял Чадвик, которому помогали Фриш, Ротблат, Джерри Пикаванс, Морис Прайс и Джон Райли Холт. Дивизия в Ливерпуле также контролировала небольшую команду в Бристольском университете, в которую входили Алан Нанн Мэй и Сесил Фрэнк Пауэлл. В Ливерпуле они сосредоточились на разделении изотопов методом тепловой диффузии, как это было предложено в меморандуме Фриша — Пейерлса. Этот процесс основывался на том факте, что при прохождении смеси двух газов через температурный градиент более тяжелый газ имеет тенденцию концентрироваться у холодного конца, а более легкий — у теплого. Возможность использования этого явления для разделения изотопов впервые продемонстрировали Клаус Клюзиус и Герхард Дикель в Германии в 1938 году, применив его для разделения изотопов неона. Они использовали аппарат, называемый «колонной», представляющий собой вертикальную трубку с горячей проволокой в центре. Преимуществом этой техники была простота конструкции и отсутствие движущихся частей. Однако для достижения равновесия могли потребоваться месяцы, требовалось большое количество энергии и высокие температуры, которые могли создать проблемы с гексафторидом урана. Другим направлением исследований в Ливерпуле было измерение сечения деления урана-235, от которого зависели расчеты Фриша и Пейерлса. Они исходили из предположения, что почти каждое столкновение нейтрона любой энергии с ядром урана-235 приводит к делению. Значение сечения деления, которое они использовали, было опубликовано французскими исследователями в 1939 году, но данные, опубликованные американцами в выпусках американского журнала Physical Review от 15 марта и 15 апреля 1940 года, указывали на то, что оно значительно меньше. Чистого урана-235 не было в наличии, поэтому эксперименты в Ливерпуле проводились с природным ураном. Результаты были неубедительными, но в целом подтверждали выводы Фриша и Пейерлса. К марту 1941 года Альфреду Ниру удалось получить микроскопическое количество чистого урана-235 в Соединенных Штатах, и команда под руководством Мерла Тува в Институте Карнеги в Вашингтоне проводила измерения сечения деления. Уран-235 был слишком ценным, чтобы отправлять образцы в Великобританию, поэтому Чадвик отправил американцам список измерений, которые он хотел бы, чтобы они выполнили. Окончательный результат показал, что сечение деления было меньше, чем предполагали Фриш и Пейерлс, но полученная критическая масса все равно составляла всего около восьми килограммов. Тем временем Прайс исследовал, как долго будет продолжаться неконтролируемая ядерная цепная реакция в атомной бомбе до момента ее саморазрушения. Он рассчитал, что поскольку нейтроны, образующиеся при делении, имеют энергию примерно, это соответствует скорости 1,4. Основная часть цепной реакции завершится примерно за 10 (десять «колебаний»). За это время расщепится от 1 до 10 процентов делящегося материала; но даже атомная бомба с эффективностью 1 процент высвободит столько энергии, сколько в 180 000 раз превышает ее вес в тротиле.

The division of the MAUD Committee at Liverpool was led by Chadwick, who was assisted by Frisch, Rotblat, Gerry Pickavance, Maurice Pryce and John Riley Holt. The division at Liverpool also controlled a small team at the University of Bristol that included Alan Nunn May and Cecil Frank Powell. At Liverpool they focused on the separation of isotopes through thermal diffusion as was suggested in the Frisch–Peierls memorandum. This process was based on the fact that when a mixture of two gases passes through a temperature gradient, the heavier gas tends to concentrate at the cold end and the lighter gas at the warm end. That this can be used as a means of isotope separation was first demonstrated by Klaus Clusius and Gerhard Dickel in Germany in 1938, who used it to separate isotopes of neon. They used an apparatus called a "column", consisting of a vertical tube with a hot wire down the centre. The advantage of the technique was that it was simple in design and there were no moving parts. But it could take months to reach equilibrium, required a lot of energy, and needed high temperatures that could cause a problem with the uranium hexafluoride. Another line of research at Liverpool was measuring the fission cross section of uranium 235, on which Frisch and Peierls' calculations depended. They had assumed that almost every collision between a neutron of any energy and a uranium 235 nucleus would produce a fission. The value they used for the fission cross section was that published by French researchers in 1939, but data published by the Americans in the 15 March and 15 April 1940 issues of the American journal Physical Review indicated that it was much smaller. No pure uranium 235 was available, so experiments at Liverpool were conducted with natural uranium. The results were inconclusive, but tended to support Frisch and Peierls. By March 1941, Alfred Nier had managed to produce a microscopic amount of pure uranium 235 in the United States, and a team under Merle Tuve at the Carnegie Institution of Washington was measuring the cross section. The uranium 235 was too valuable to send a sample to Britain, so Chadwick sent the Americans a list of measurements he wanted them to carry out. The final result was that the cross section was smaller than Frisch and Peierls had assumed, but the resulting critical mass was still only about eight kilograms. Meanwhile, Pryce investigated how long a runaway nuclear chain reaction in an atomic bomb would continue before it blew itself apart. He calculated that since the neutrons produced by fission have an energy of about this corresponded to a speed of 1.4. The major part of the chain reaction would be completed in the order of 10 (ten "shakes"). From 1 to 10 per cent of the fissile material would fission in this time; but even an atomic bomb with 1 per cent efficiency would release as much energy as 180,000 times its weight in TNT.

Оксфордский университет

Разделение Комитета MAUD в Оксфорде возглавлял Саймон. Как немецкий эмигрант, он смог приступить к работе только после того, как Пейерлс поручился за него, отметив, что Саймон уже начал исследования по разделению изотопов, что дало бы проекту преимущество благодаря его участию. Команда Оксфорда состояла в основном из ученых не британского происхождения, включая Николаса Курти, Курта Мендельсона, Генриха Куна, Генри Шулла Армса и Хайнца Лондона. Они сосредоточились на разделении изотопов методом, известным как газовая диффузия. Этот метод основан на законе Грэма, который утверждает, что скорость истечения газа через пористый барьер обратно пропорциональна квадратному корню его молекулярной массы. В сосуде с пористым барьером, содержащем смесь двух газов, более легкие молекулы будут выходить из сосуда быстрее, чем более тяжелые. Выходящий из сосуда газ будет незначительно обогащен более легкими молекулами, а остаточный газ – незначительно обеднен. Команда Саймона проводила эксперименты с медной сеткой в качестве барьера. Поскольку гексафторид урана, единственный известный газообразный источник урана, был одновременно дефицитным и трудным в обращении, для испытаний использовалась смесь углекислого газа и водяного пара. Результатом этой работы стал доклад Саймона в декабре 1940 года под названием «Оценка размеров реального завода по разделению». В нем он описал промышленный завод, способный производить один килограмм урана, обогащенного до 99 процентов урана-235, в день. Завод будет использовать мембранные барьеры в 18 000 разделительных аппаратов, объединенных в 20 ступеней. Площадь завода составит , вес оборудования – , а потребляемая мощность – 60 000 кВт. Он оценил, что строительство займет от 12 до 18 месяцев и обойдется примерно в 4 миллиона фунтов стерлингов, потребует 1200 рабочих для эксплуатации и 1,5 миллиона фунтов стерлингов в год на содержание. «Мы уверены, что разделение может быть выполнено описанным способом, – заключил он, – и даже считаем, что, учитывая поставленную задачу, эта схема не требует чрезмерных затрат времени, денег и усилий».

The division of the MAUD Committee at Oxford was led by Simon. As a German émigré, he was only able to get involved after Peierls vouched for him, pointing out that Simon had already begun research on isotope separation, which would give the project a head start by his participation. The Oxford team was mostly composed of non British scientists, including Nicholas Kurti, Kurt Mendelssohn, Heinrich Kuhn, Henry Shull Arms and Heinz London. They concentrated on isotope separation with a method known as gaseous diffusion. This is based on Graham's law, which states that the rate of effusion of a gas through a porous barrier is inversely proportional to the square root of the gas's molecular mass. In a container with a porous barrier containing a mixture of two gases, the lighter molecules will pass out of the container more rapidly than the heavier molecules. The gas leaving the container is slightly enriched in the lighter molecules, while the residual gas is slightly depleted. Simon's team conducted experiments with copper gauze as the barrier. Because uranium hexafluoride, the only known gas containing uranium, was both scarce and difficult to handle, a mixture of carbon dioxide and water vapour was used to test it. The result of this work was a report from Simon on the "Estimate of the Size of an Actual Separation Plant" in December 1940. He described an industrial plant capable of producing a kilogram per day of uranium enriched to 99 per cent uranium 235. The plant would use of membrane barriers, in 18,000 separation units in 20 stages. The plant would cover , the machinery would weigh and consume 60,000 kW of power. He estimated that it would take 12 to 18 months to build at a cost of around £4 million, require 1,200 workers to operate, and cost £1.5 million per annum to run. "We are confident that the separation can be performed in the way described", he concluded, "and we even believe that the scheme is, in view of its object, not unduly expensive of time, money and effort."

Кембриджский университет

Отделение комитета MAUD в Кембридже совместно возглавляли Брэгг и Коккрофт. В его состав входили Брецчер, Федер, Хальбан, Коварски, Герберт Фрёндлих и Николас Кеммер. Пол Дирак оказывал консультационные услуги, хотя формально не входил в команду. 19 июня 1940 года, после вторжения Германии во Францию, Хальбан, Коварски и другие французские ученые с семьями, а также их ценный запас тяжелой воды, были доставлены в Англию графом Саффолка и майором Ардейлом Голдингом на пароходе. Тяжелая вода, оценивавшаяся в 22 000 фунтов стерлингов, первоначально хранилась в тюрьме Wormwood Scrubs, но впоследствии была тайно перемещена в библиотеку Виндзорского замка. Французские ученые переехали в Кембридж, где провели эксперименты, которые окончательно доказали возможность осуществления ядерной цепной реакции в смеси оксида урана и тяжелой воды. В статье, написанной вскоре после их прибытия в Англию, Хальбан и Коварски предположили, что медленные нейтроны могут поглощаться ураном-238 с образованием урана-239. В письме Эдвина Макмиллана и Филипа Абельсона, опубликованном в журнале Physical Review 15 июня 1940 года, указывалось, что этот изотоп распадается с образованием элемента с атомным номером 93, а затем – элемента с атомным номером 94 и массовым числом 239, который, хотя и оставался радиоактивным, имел достаточно длительный период полураспада. Тот факт, что письмо на столь деликатную тему все еще было опубликовано, возмутил Чедвика, и он потребовал направить американцам официальный протест, что и было сделано. Брецчер и Федер теоретически утверждали, что этот элемент может делиться как быстрыми, так и медленными нейтронами, подобно урану-235. В этом случае это открывало еще один путь к созданию атомной бомбы, поскольку его можно было бы получать из более распространенного урана-238 в ядерном реакторе, а отделение от урана могло бы осуществляться химическими методами, поскольку это был другой элемент, что позволило бы избежать необходимости в разделении изотопов. Кеммер предположил, что поскольку уран был назван в честь планеты Уран, элемент с атомным номером 93 можно назвать нептунием, а элемент с атомным номером 94 – плутонием, в честь следующих двух планет. Позже выяснилось, что американцы независимо пришли к тем же названиям, руководствуясь той же логикой. Брецчер и Федер пошли еще дальше, предположив, что облучение тория может привести к образованию нового изотопа урана – урана-233, который также может быть подвержен делению как быстрыми, так и медленными нейтронами. Помимо этой работы, Эрик Ридаль изучал разделение изотопов методом центрифугирования.

The division of the MAUD Committee at Cambridge was jointly led by Bragg and Cockcroft. It included Bretscher, Feather, Halban, Kowarski, Herbert Freundlich and Nicholas Kemmer. Paul Dirac assisted as a consultant, although he was not formally part of the team. On 19 June 1940, following the German invasion of France, Halban, Kowarski and other French scientists and their families, along with their precious stock of heavy water, were brought to England by the Earl of Suffolk and Major Ardale Golding on the steamer The heavy water, valued at £22,000, was initially kept at HM Prison Wormwood Scrubs, but was later secretly stored in the library at Windsor Castle. The French scientists moved to Cambridge, where they conducted experiments that conclusively showed that a nuclear chain reaction could be produced in a mixture of uranium oxide and heavy water. In a paper written shortly after they arrived in England, Halban and Kowarski theorised that slow neutrons could be absorbed by uranium 238, forming uranium 239. A letter by Edwin McMillan and Philip Abelson published in the Physical Review on 15 June 1940 stated that this decayed to an element with an atomic number of 93, and then to one with an atomic number of 94 and mass of 239, which, while still radioactive, was fairly long lived. That a letter on such a sensitive subject could still be published irked Chadwick, and he asked for an official protest to be sent to the Americans, which was done. Bretscher and Feather argued, on theoretical grounds, that this element might be capable of fission by both fast and slow neutrons like uranium 235. If so, this promised another path to an atomic bomb, as it could be bred from the more abundant uranium 238 in a nuclear reactor, and separation from uranium could be by chemical means, as it was a different element, thereby avoiding the necessity for isotope separation. Kemmer suggested that since uranium was named after the planet Uranus, element 93 could be named neptunium and 94 plutonium after the next two planets. Later it was discovered that the Americans had independently adopted the same names, following the same logic. Bretscher and Feather went further, theorising that irradiation of thorium could produce a new isotope of uranium, uranium 233, which might also be susceptible to fission by both fast and slow neutrons. In addition to this work, Eric Rideal studied isotope separation through centrifugation.

Университет Бирмингема

Отделение Комитета MAUD в Бирмингеме возглавлял Пейерлс. Ему помогали Хаворт, Джонсон и, с 28 мая 1941 года, Клаус Фукс. Хаворт руководил группой химиков, изучавших свойства гексафторида урана. Одним из его преимуществ было то, что фтор имеет только один изотоп, поэтому любая разница в весе между двумя молекулами обусловлена исключительно различными изотопами урана. В остальном, гексафторид урана был далеко не идеальным веществом. Он затвердевал при определенной температуре, был коррозионным и реагировал со многими веществами, включая воду. Поэтому обращаться с ним было сложно и опасно. Однако поиски других газообразных соединений урана, проведенные химиками в Бирмингеме, не дали результатов. Линдеманн использовал свое влияние на лорда Мелчетта, директора ICI, чтобы добиться организации ICI промышленного производства гексафторида урана. Завод ICI по производству плавиковой кислоты был остановлен и требовал капитального ремонта, поэтому стоимость килограмма гексафторида урана составила 5000 фунтов стерлингов. Тем не менее, заказ был размещен в декабре 1940 года. ICI также изучала методы получения чистого металлического урана. Пейерлс и его команда занимались теоретическими проблемами, связанными с созданием ядерной бомбы. По сути, они отвечали за определение технических характеристик бомбы. Вместе с Фуксом Пейерлс также анализировал все экспериментальные данные, поступавшие из других лабораторий, и изучал различные процессы получения изотопов. К концу лета 1940 года Пейерлс отдал предпочтение газовой диффузии тепловой диффузии. Из США поступила работа Джорджа Кистиаковского, в которой утверждалось, что ядерное оружие нанесет незначительный ущерб, поскольку большая часть энергии будет затрачена на нагрев окружающего воздуха. Химические взрывчатые вещества генерируют очень горячие газы в замкнутом пространстве, но ядерный взрыв этого не делает. Пейерлс, Фукс, Джеффри Тейлор и Дж. Г. Кинч разработали гидродинамическую модель, чтобы опровергнуть аргумент Кистиаковского. Тейлор опубликовал статью "Формирование взрывной волны при очень интенсивном взрыве" в июне 1941 года.

The division of the MAUD Committee at Birmingham was led by Peierls. He was assisted by Haworth, Johnson and, from 28 May 1941, Klaus Fuchs. Haworth led the chemists in studying the properties of uranium hexafluoride. One thing in its favour was that fluorine has only one isotope, so any difference in weight between two molecules is solely due to the different isotope of uranium. Otherwise, uranium hexafluoride was far from ideal. It solidified at , was corrosive, and reacted with many substances, including water. It was therefore difficult and dangerous to handle. However, a search by the chemists at Birmingham failed to uncover another gaseous compound of uranium. Lindemann used his influence with Lord Melchett, a director of ICI, to get ICI to produce uranium hexafluoride on an industrial scale. ICI's hydrofluoric acid plant was out of commission, and required extensive repairs, so the quote for a kilogram of uranium hexafluoride came to £5,000. Nonetheless, the order was placed in December 1940. ICI also explored methods of producing pure uranium metal. Peierls and his team worked on the theoretical problems of a nuclear bomb. In essence, they were in charge of finding out the technical features of the bomb. Along with Fuchs, Peierls also interpreted all the experimental data from the other laboratories. He examined the different processes by which they were obtaining isotopes. By the end of the summer in 1940, Peierls preferred gaseous diffusion to thermal diffusion. A paper was received from the United States in which George Kistiakowsky argued that a nuclear weapon would do very little damage, as most of the energy would be expended heating the surrounding air. A chemical explosive generates very hot gases in a confined space, but a nuclear explosion will not do this. Peierls, Fuchs, Geoffrey Taylor and J. G. Kynch worked out the hydrodynamics to refute Kistiakowsky's argument. Taylor produced a paper on "The Formation of a Blast Wave by a Very Intense Explosion" in June 1941.

Доклады

Первый проект окончательного доклада Комитета MAUD был написан Томсоном в июне 1941 года и распространен среди членов комитета 26 июня с указанием, что следующее заседание 2 июля будет посвящено его обсуждению. Значительная работа по редактированию была выполнена, в основном Чедвиком. На этом этапе доклад был разделен на два отчета. Первый был посвящен теме "Использование урана для создания бомбы", второй – "Использование урана как источника энергии". В них были объединены все исследования и эксперименты, завершенные Комитетом MAUD. Доклад начинался с утверждения:

В первом отчете было сделано заключение о принципиальной возможности создания бомбы. В нем приводилось детальное техническое описание и конкретные предложения по ее разработке, включая смету расходов. Строительство завода по производству одного килограмма урана-235 в день оценивалось в 5 миллионов фунтов стерлингов и потребовало бы значительного количества квалифицированной рабочей силы, которая также была необходима для других военных нужд. Завод мог быть построен в течение двух лет. Предполагаемый масштаб разрушений был сопоставим с последствиями взрыва в Галифаксе в 1917 году, который уничтожил все в определенном радиусе. В докладе также содержалось предупреждение о том, что Германия проявляет интерес к тяжелой воде, и хотя она не считалась полезной для создания бомбы, оставалась вероятность, что Германия также ведет работы в этом направлении. Второй отчет был короче. В нем рекомендовалось перевести Халбана и Коварски в США, где планировалось крупномасштабное производство тяжелой воды. Плутоний мог оказаться более подходящим, чем уран-235, и исследования плутония должны были продолжаться в Великобритании. В отчете заключалось, что управляемое деление урана может быть использовано для получения тепловой энергии для работы машин и для производства больших количеств радиоизотопов, которые могли бы заменить радий. В качестве замедлителя быстрых нейтронов могла быть использована тяжелая вода или, возможно, графит. Однако в заключение, несмотря на значительный потенциал ядерного реактора для мирного использования в будущем, комитет счел его рассмотрение неуместным в условиях текущей войны.

Великобритания

В ответ на доклад Комитета МАУД была запущена программа по созданию ядерного оружия. Для координации усилий был создан новый директорат, получивший намеренно вводящее в заблуждение название Tube Alloys в целях безопасности. Сэр Джон Андерсон, лорд-президент Совета, стал ответственным министром, а Уоллес Экерс из ICI был назначен директором Tube Alloys. Tube Alloys и Манхэттенский проект обменивались информацией, но первоначально не объединили свои усилия, формально из-за опасений по поводу американской безопасности. Иронично, но именно британский проект уже был проникнут атомными шпионами, работавшими на Советский Союз. Наиболее значимым из них в то время был Джон Кернкросс, член печально известной "Кембриджской пятерки", который работал личным секретарем лорда Хэнки, министра без портфеля в военном кабинете. Кернкросс предоставлял НКВД информацию из Комитета МАУД. Великобритания не располагала людскими и ресурсными возможностями, сопоставимыми с американскими, и, несмотря на свой ранний и многообещающий старт, проект Tube Alloys отставал от американского аналога и значительно уступал ему по масштабу. Британцы рассматривали возможность создания атомной бомбы без помощи американцев, но для этого проекту потребовал бы абсолютного приоритета, предполагаемая стоимость была огромной, неизбежны срывы других военных проектов, и маловероятно, что он был бы готов вовремя, чтобы повлиять на исход войны в Европе. На Квебекской конференции в августе 1943 года Черчилль и Рузвельт подписали Квебекское соглашение, которое объединило два национальных проекта. Квебекское соглашение учредило Объединенный политкомитет и Объединенный траст по развитию для координации их усилий. Соглашение, заключенное в Гайд-парке 19 сентября 1944 года, распространило как коммерческое, так и военное сотрудничество на послевоенный период. Британская миссия во главе с Акерсом оказывала помощь в разработке технологии газовой диффузии в лабораториях SAM в Нью-Йорке. Другая, возглавляемая Олифантом, помогала в разработке процесса электромагнитного разделения в Лаборатории радиации Беркли. Коккрофт стал директором совместной британско-канадской Монреальской лаборатории. Британскую миссию в Лос-Аламосскую лабораторию возглавляли Чадвик, а затем Пейерлс, в состав которой вошли несколько выдающихся британских ученых. Как генеральный руководитель британской миссии, Чадвик установил тесное и плодотворное партнерство и обеспечил полное и всестороннее участие Великобритании.

In response to the MAUD Committee report, a nuclear weapons programme was launched. To co ordinate the effort, a new directorate was created, with the deliberately misleading name of Tube Alloys for security purposes. Sir John Anderson, the Lord President of the Council, became the minister responsible, and Wallace Akers from ICI was appointed the director of Tube Alloys. Tube Alloys and the Manhattan Project exchanged information, but did not initially combine their efforts, ostensibly over concerns about American security. Ironically, it was the British project that had already been penetrated by atomic spies for the Soviet Union. The most significant of them at this time was John Cairncross, a member of the notorious Cambridge Five, who worked as the private secretary to Lord Hankey, a minister without portfolio in the War Cabinet. Cairncross provided the NKVD with information from the MAUD Committee. The United Kingdom did not have the manpower or resources of the United States, and despite its early and promising start, Tube Alloys fell behind its American counterpart and was dwarfed by it. The British considered producing an atomic bomb without American help, but the project would have needed overwhelming priority, the projected cost was staggering, disruption to other wartime projects was inevitable, and it was unlikely to be ready in time to affect the outcome of the war in Europe. At the Quebec Conference in August 1943, Churchill and Roosevelt signed the Quebec Agreement, which merged the two national projects. The Quebec Agreement established the Combined Policy Committee and the Combined Development Trust to co ordinate their efforts. The 19 September 1944 Hyde Park Agreement extended both commercial and military co operation into the post war period. A British mission led by Akers assisted in the development of gaseous diffusion technology at the SAM Laboratories in New York. Another, headed by Oliphant, assisted with that of the electromagnetic separation process at the Berkeley Radiation Laboratory. Cockcroft became the director of the joint British Canadian Montreal Laboratory. A British mission to the Los Alamos Laboratory was led by Chadwick, and later Peierls, which included several of Britain's most eminent scientists. As overall head of the British Mission, Chadwick forged a close and successful partnership, and ensured that British participation was complete and wholehearted.

Соединенные Штаты

В ответ на письмо Эйнштейна — Силарда 1939 года президент Франклин Рузвельт создал Консультативный комитет по урану в октябре 1939 года под председательством Лаймана Бриггса. Исследования были сосредоточены на медленном делении для производства энергии, но с растущим интересом к разделению изотопов. В июне 1941 года Рузвельт создал Управление научных исследований и разработок (OSRD), а Ванневар Буш стал его директором, лично отчитывающимся перед президентом. Комитет по урану стал Урановым отделом OSRD, который вскоре был переименован в Секцию S 1 по соображениям безопасности. Буш привлек Артура Комптона, лауреата Нобелевской премии, и Национальную академию наук. Его отчет был опубликован 17 мая 1941 года. Он поддержал активизацию усилий, но не рассматривал детально проектирование или изготовление бомбы. Информация из Комитета MAUD поступала от британских ученых, приезжавших в Соединенные Штаты, в частности, в рамках Миссии Тизарда, и от американских наблюдателей на заседаниях Комитета MAUD в апреле и июле 1941 года. Коккрофт, участник Миссии Тизарда, доложил, что американский проект отставал от британского и продвигался медленнее. Великобритания была в состоянии войны и считала создание атомной бомбы срочной задачей, в то время как США еще не вступили в войну. Именно Олифант заставил американскую программу сдвинуться с мертвой точки. Он прилетел в Соединенные Штаты в конце августа 1941 года, формально для обсуждения программы радиолокации, а на самом деле – чтобы выяснить, почему Соединенные Штаты игнорируют выводы Комитета MAUD. Олифант сообщил: «Протоколы и отчеты были отправлены Лайману Бриггсу, директору Уранового комитета, и мы были удивлены практически полным отсутствием каких-либо комментариев. Я связался с Бриггсом в Вашингтоне и обнаружил, что этот невнятный и не вызывающий доверия человек положил отчеты в свой сейф и не показал их членам комитета. Я был поражен и огорчен». Олифант встретился с Секцией S 1. Сэмюэль К. Эллисон был новым членом комитета, экспериментальным физиком и протеже Комптона в Чикагском университете. Эллисон вспоминал: «Олифант пришел на совещание и совершенно однозначно сказал слово «бомба». Он заявил, что мы должны сосредоточить все усилия на создании бомбы и что у нас нет права работать над электростанциями или чем-либо, кроме бомбы. Он сказал, что бомба обойдется в 25 миллионов долларов, а у Великобритании нет ни денег, ни людских ресурсов, поэтому все зависит от нас». Затем Олифант посетил своего друга Эрнеста Лоуренса, американского лауреата Нобелевской премии, чтобы объяснить срочность ситуации. Лоуренс связался с Комптоном и Джеймсом Б. Конантом, который 3 октября 1941 года получил от Томсона копию окончательного доклада MAUD. Гарольд Юри, также лауреат Нобелевской премии, и Джордж Пеграм были отправлены в Великобританию для получения дополнительной информации. В январе 1942 года OSRD получило полномочия заниматься крупными инженерными проектами в дополнение к исследованиям. Без помощи Комитета MAUD проект «Манхэттен» начался бы на несколько месяцев позже. Вместо этого они смогли начать думать о том, как создать бомбу, а не о том, возможно ли это вообще. Гоуинг отметил, что «события, которые сдвигают временную шкалу всего на несколько месяцев, тем не менее могут изменить ход истории». 16 июля 1945 года проект «Манхэттен» взорвал первую атомную бомбу в ходе ядерного испытания «Тринити».

In response to the 1939 Einstein Szilard letter, President Franklin D. Roosevelt had created an Advisory Committee on Uranium in October 1939, chaired by Lyman Briggs. Research concentrated on slow fission for power production, but with a growing interest in isotope separation. In June 1941, Roosevelt created the Office of Scientific Research and Development (OSRD), with Vannevar Bush as its director, personally responsible to the President. The Uranium Committee became the Uranium Section of the OSRD, which was soon renamed the S 1 Section for security reasons. Bush engaged Arthur Compton, a Nobel Prize winner, and the National Academy of Sciences. His report was issued on 17 May 1941. It endorsed a stronger effort, but did not address the design or manufacture of a bomb in any detail. Information from the MAUD Committee came from British scientists travelling to the United States, notably the Tizard Mission, and from American observers at the MAUD Committee meetings in April and July 1941. Cockcroft, who was part of the Tizard Mission, reported that the American project lagged behind the British one, and was not proceeding as fast. Britain was at war and felt an atomic bomb was urgent, but the US was not yet at war. It was Oliphant who pushed the American programme into action. He flew to the United States in late August 1941, ostensibly to discuss the radar programme, but actually to find out why the United States was ignoring the MAUD Committee's findings. Oliphant reported: "The minutes and reports had been sent to Lyman Briggs, who was the Director of the Uranium Committee, and we were puzzled to receive virtually no comment. I called on Briggs in Washington, only to find out that this inarticulate and unimpressive man had put the reports in his safe and had not shown them to members of his committee. I was amazed and distressed." Oliphant met with the S 1 Section. Samuel K. Allison was a new committee member, an experimental physicist and a protégé of Compton at the University of Chicago. Oliphant "came to a meeting", Allison recalled, "and said 'bomb' in no uncertain terms. He told us we must concentrate every effort on the bomb and said we had no right to work on power plants or anything but the bomb. The bomb would cost 25 million dollars, he said, and Britain did not have the money or the manpower, so it was up to us." Oliphant then visited his friend Ernest Lawrence, an American Nobel Prize winner, to explain the urgency. Lawrence contacted Compton and James B. Conant, who received a copy of the final MAUD Report from Thomson on 3 October 1941. Harold Urey, also a Nobel Prize winner, and George B. Pegram were sent to the UK to obtain more information. In January 1942, the OSRD was empowered to engage in large engineering projects in addition to research. Without the help of the MAUD Committee the Manhattan Project would have started months behind. Instead they were able to begin thinking about how to create a bomb, not whether it was possible. Gowing noted that "events that change a time scale by only a few months can nevertheless change history." On 16 July 1945, the Manhattan Project detonated the first atomic bomb in the Trinity nuclear test.

Советский Союз

Советский Союз получил сведения о британских исследованиях от своих атомных шпионов Клауса Фукса, Энгельберта Броды и Кэрнкросса. В марте 1942 года глава НКВД Лаврентий Берия представил Генеральному секретарю Коммунистической партии Советского Союза Иосифу Сталину доклад, который включал в себя отчеты МАУД и другие британские документы, переданные Кэрнкроссом. В 1943 году НКВД получил копию итогового доклада Комитета МАУД. Это побудило Сталина отдать приказ о начале советской программы, хотя она располагала весьма ограниченными ресурсами. Позднее в том же году Игорь Курчатов был назначен директором этой начинающей программы. Спустя шесть лет, 29 августа 1949 года, Советский Союз испытал атомную бомбу.